PLC自檢測及外圍設(shè)備測試系統(tǒng)

管琦

摘要：為提高PLC在其控制系統(tǒng)上的開發(fā)效率，本文對PLC系統(tǒng)的功能及單片機(jī)與上位機(jī)的PLC自檢和外圍測試系統(tǒng)進(jìn)行分析，并實(shí)現(xiàn)模擬、數(shù)字輸入輸出信號及數(shù)據(jù)在測試系統(tǒng)軟件中的傳遞的模擬，為系統(tǒng)的開發(fā)提供參考。為達(dá)到良好的調(diào)試效果，需要到工業(yè)現(xiàn)場聯(lián)機(jī)，但是過程中成本較高，同時(shí)會(huì)影響生產(chǎn)進(jìn)度，本文開發(fā)一套模擬環(huán)境中PLC自檢測及外圍設(shè)備測試系統(tǒng)，提供模擬工業(yè)的生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境對系統(tǒng)的功能進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：PLC測試系統(tǒng) 單片機(jī)系統(tǒng) Modbus總線

中圖分類號：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）07-0014-01

PLC在工業(yè)現(xiàn)場中的自動(dòng)化控制上應(yīng)用十分廣泛，因其具有可靠性高，接口模塊豐富以及抗干擾能力很強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)而被開發(fā)，PLC控制系統(tǒng)需要反復(fù)調(diào)試軟硬件系統(tǒng)以確保其在實(shí)際操作程序中實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能。

1 系統(tǒng)的功能

在文中的PLC自檢測及外圍設(shè)備測試系統(tǒng)是由軟件和硬件兩部分所構(gòu)成的，硬件部分是外圍設(shè)備使用單片機(jī)進(jìn)行電路模擬，軟件部分是上位機(jī)測試系統(tǒng)。以下本位對兩者的功能進(jìn)行闡述。

1.1 硬件之功能

硬件部分提供當(dāng)前系統(tǒng)的接口電路以及PLC硬件接口。將模擬輸入信號與數(shù)字輸入信號提供給PLC。對PLC發(fā)出的模擬輸出信號及數(shù)字輸出信號進(jìn)行接收，另一個(gè)硬件的功能是數(shù)據(jù)傳遞，對上位機(jī)軟件的測試系統(tǒng)與PLC的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳遞。

1.2 軟件之功能

自檢測系統(tǒng)也包含兩個(gè)部分，一個(gè)是測試系統(tǒng)本身的軟件即目標(biāo)機(jī)，另外一個(gè)是上位機(jī)測試系統(tǒng)軟件。目標(biāo)機(jī)是對上位機(jī)測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息與測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收同時(shí)發(fā)送給測試系統(tǒng)和PLC系統(tǒng)。軟件上位機(jī)的作用是反映PLC工作狀態(tài)，并且以圖表的形式表達(dá)反映出來，通過對其接收的測試數(shù)據(jù)了解PLC程序工作狀態(tài)表現(xiàn)層度是否符合當(dāng)前環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，起到調(diào)試的目的，這樣可以節(jié)省時(shí)間，節(jié)省人力和財(cái)力，方便PLC教學(xué)培訓(xùn)。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

大部分都用單MCU擴(kuò)展接口對單片機(jī)大量接口進(jìn)行對接，缺點(diǎn)是對數(shù)量巨大的MCU難以管理，對軟件和硬件的設(shè)計(jì)造成困難，應(yīng)用多MCU 模塊化進(jìn)行接口的擴(kuò)展，對單個(gè)MCU在設(shè)計(jì)時(shí)留出接口的數(shù)量空間，這樣對接口芯片就不再需要擴(kuò)展，軟件編程更加簡單，同樣在開關(guān)量和模擬量上也設(shè)計(jì)出定量的接口，等到具體調(diào)試時(shí)就可以針對需要的數(shù)量選擇接口，本文系統(tǒng)的單片機(jī)是STC12C5410AD模塊的MCU，現(xiàn)場總線采用Modbus總線協(xié)議，也是目前常用的協(xié)議。這樣保持通信質(zhì)量的同時(shí)成本也不高，設(shè)計(jì)簡單[1]。

2.2 模塊電路設(shè)計(jì)

PLC的工作電壓為24V，單片機(jī)與之接口連接使需要電平轉(zhuǎn)換，開關(guān)量電平轉(zhuǎn)換可以用TLP521-4型號的光電耦合器實(shí)現(xiàn)操作。共有2個(gè)模塊一致的硬件結(jié)構(gòu)，都由數(shù)量為16的DI與DO組合而成，AI和AO都是4個(gè)，因?yàn)镮O口的單片機(jī)數(shù)量受限，所以用2個(gè)74LS595對16個(gè)DI實(shí)現(xiàn)級聯(lián)，2個(gè)74LS165對16個(gè)DO級聯(lián)，4路10位A/D在單片機(jī)內(nèi)部形成集成電路與4個(gè)AI轉(zhuǎn)換，同樣4路PWM也是在單片機(jī)內(nèi)部集成電路與4個(gè)AO調(diào)轉(zhuǎn)，使用PMN的D/A時(shí)要用到濾波電路，文中的濾波電路是2級源電路，可將PWM信號通過MCU輸出變成模擬電壓信號，實(shí)際應(yīng)用時(shí)匹配PLC接口信號需要電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號，所以需要調(diào)理電流在AI于AO的接口銜接時(shí)進(jìn)行[2]。

3 單片機(jī)系統(tǒng)

3.1 單片機(jī)系統(tǒng)軟件功能

單片機(jī)系統(tǒng)能夠解包上位機(jī)的Modbus命令，接收命令后將PLC的開關(guān)量與模擬量的接口操作。最后發(fā)送到上位機(jī)Modbus幀格經(jīng)過組織后對其進(jìn)行應(yīng)答。整個(gè)程序要經(jīng)過相應(yīng)的步驟，第一步是系統(tǒng)初始化，第二步是對上位機(jī)的命令幀進(jìn)行接收，Modbus總線對上位機(jī)的命令幀實(shí)現(xiàn)發(fā)送，第三步是解包處理接收的命令幀，處理地址碼與功能碼，第四步和第五步分別為讀寫操作開關(guān)量、模擬量的接口，最后，上位機(jī)將數(shù)據(jù)返回應(yīng)答機(jī)，根據(jù)命令組織應(yīng)答幀發(fā)送給上位機(jī)。

3.2 單片機(jī)系統(tǒng)主程序流程

第一步是初始化系統(tǒng)，串口初始化、I/O口初始化及初始化中斷系統(tǒng)。結(jié)束初始化后，進(jìn)入循環(huán)程序，在過程中會(huì)發(fā)生程序跑飛，這時(shí)就要防止跑飛的定時(shí)器，俗稱看門DOG，A/D轉(zhuǎn)換經(jīng)過的輸入模擬量，轉(zhuǎn)換速度完全取決于轉(zhuǎn)換器A/D的速度，所以要設(shè)置緩沖區(qū)控制數(shù)據(jù)的模擬量輸入在單片機(jī)的內(nèi)部，讀入的數(shù)據(jù)先在緩沖區(qū)滯留，對其進(jìn)行數(shù)字濾波過濾，循環(huán)后判斷接收標(biāo)準(zhǔn)中來自Modbus的命令是否在正確的位置，如果位置正確就代表數(shù)據(jù)幀是完整的，從而完成相應(yīng)動(dòng)作[3]。

3.3 單片機(jī)通信子程序

串口通信的子程序，在系統(tǒng)里將上位機(jī)是為主要節(jié)點(diǎn)，從節(jié)點(diǎn)是單片機(jī)模塊，從節(jié)點(diǎn)接收主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的請求后中斷數(shù)據(jù)的發(fā)送并及時(shí)響應(yīng)主節(jié)點(diǎn)，在3.5個(gè)字符間隔后，串口及時(shí)中斷數(shù)據(jù)接收并進(jìn)入子程序服務(wù)，鑒別種類，接收1個(gè)字節(jié)后接收中斷，代表是地址碼，與自身地址通過比對后如果繼續(xù)接收就代表本站地址，設(shè)置相應(yīng)的計(jì)數(shù)器和標(biāo)志位，等到接收一幀完畢時(shí)，斷開開口串，然后返回上一程序，如果接收的不是本站地址終止接收，返回程序。

4 結(jié)語

本文的PLC自檢及外圍設(shè)備測試系統(tǒng)的構(gòu)成是單片機(jī)系統(tǒng)、上位機(jī)軟件和Modbus總線的相互合作實(shí)現(xiàn)的。在調(diào)試中可以看出PLC的操作問題與操作失誤，并及時(shí)作出反饋后進(jìn)行調(diào)整，開系統(tǒng)的穩(wěn)定與運(yùn)行效果都良好，提高其PLC在控制系統(tǒng)上的開發(fā)效率，另一方面，在設(shè)計(jì)中，對接口實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化，具有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]白晗東.PLC自檢測及外圍設(shè)備測試系統(tǒng)[D].西華大學(xué)，2010.

[2]車暢，胡丹，白晗東.PLC輸入輸出接口測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國測試，2011，03：53-56.

[3]車暢，胡丹，韋興平.PLC自檢測及外圍設(shè)備測試系統(tǒng)[J].西華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，04：45-49+57.